基于IPv6的多接入智能電網(wǎng)網(wǎng)關(guān)設(shè)計（電力）
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基于IPv6的多接入智能電網(wǎng)網(wǎng)關(guān)設(shè)計（電力）
向敏，黃盛剛，田力，黃浩林，何金星，唐亮，朱大鵬
(重慶郵電大學(xué)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)與網(wǎng)絡(luò)化控制教育部重點實驗室，重慶400065)
摘要：針對智能電網(wǎng)網(wǎng)關(guān)中本地通信接入方式單一且本地通信IPv6技術(shù)應(yīng)用較少的現(xiàn)狀，設(shè)計了一種基于IPv6的多接入智能電網(wǎng)新型網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)基于STM32F107高速處理器和
C/Os -Ⅱ嵌入式操作系統(tǒng)，采用自主研發(fā)的IPv6協(xié)議棧，實現(xiàn)了支持IPv6的多種本地通信方式(電力線載波、433 M Hz. 470 MHz、780 MHz、2.4 C Hz)接人以及以太網(wǎng)、CPRS遠程輸出，支持數(shù)據(jù)的保存與網(wǎng)關(guān)動態(tài)參數(shù)配置功能。測試結(jié)果表明，網(wǎng)關(guān)設(shè)汁方案可行，可實現(xiàn)多種本地通信方式的IPv6接入，能夠適應(yīng)多種通信環(huán)境。
關(guān)鍵詞：智能電網(wǎng)：IPv6；多接入網(wǎng)關(guān)：電力線載波通信：微功率無線
中圖分類號：TM73;TP23 DOI：10.11930/j．issn．1004-9649.2016.05,123.06
0引言
智能電網(wǎng)是將先進的傳感器量測、信息通信、自動控制等技術(shù)與現(xiàn)有電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施高度集成的新型電網(wǎng)，是當今世界電網(wǎng)發(fā)展的必然趨勢。智能電網(wǎng)在發(fā)、變、輸、配、用電環(huán)節(jié)需要對大量終端節(jié)點進行信息采集與控制，但各環(huán)節(jié)電力通信網(wǎng)的布設(shè)環(huán)境差異較大，采集網(wǎng)絡(luò)須采用不同介質(zhì)的接入網(wǎng)。其中網(wǎng)關(guān)是連接本地終端節(jié)點和遠程控制中心的關(guān)鍵設(shè)備。智能電網(wǎng)中本地通信方式主要有“電力線載波通信(power linecommunication, PLC)”和433 MHz、470 MHz、780MHz、2.4 GHz等微功率無線通信。目前國內(nèi)智能電網(wǎng)非骨干通信網(wǎng)網(wǎng)關(guān)往往只支持單一的本地通信方式，不能滿足對存在多種通信方式電網(wǎng)環(huán)境中終端數(shù)據(jù)監(jiān)控的需求。
“互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議版本6 (Internet Protocol Version6，IPv6)”作為下一代互聯(lián)網(wǎng)核心技術(shù)，是互聯(lián)網(wǎng)的最新標準協(xié)議。IPv6技術(shù)可以實現(xiàn)電網(wǎng)中每個終端都具有全網(wǎng)唯一的IPv6地址，速度快、傳輸效率高、網(wǎng)絡(luò)安全性好，其無狀態(tài)地址自動分配機制可以支持新添設(shè)備快速入網(wǎng)。因此，將IPv6與本地PLC和微功率無線通信網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，實現(xiàn)電力通信終端節(jié)點IP化，是智能電網(wǎng)電力通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢。然而，目前國內(nèi)IPv6技術(shù)在輸變電狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)、配電網(wǎng)系統(tǒng)、用電信息采集等系統(tǒng)中的應(yīng)用相對匱乏。
針對以上2個問題，本文提出了一種能夠應(yīng)用于智能電網(wǎng)、支持多種接人方式和IPv6的網(wǎng)關(guān)設(shè)計方案。該方案能支持本地PLC及多頻段微功率無線IPv6傳感網(wǎng)的接入，以及GPRS、以太網(wǎng)接口經(jīng)電力通信網(wǎng)絡(luò)與遠程控制中心的互通．
1 總體設(shè)計方案
網(wǎng)關(guān)通過PLC，433 MHz、470 MHz、780 MHz、2.4 GHz頻段傳感網(wǎng)接收來自智能電網(wǎng)巾的電表、變壓器、智能家用電器等智能終端節(jié)點的數(shù)據(jù)．同時通過GPRS和以太網(wǎng)接口經(jīng)電力通信網(wǎng)絡(luò)與遠程控制中心進行信息交互，是整個通信系統(tǒng)的控制樞紐�？傮w設(shè)計方案如圖1所示。
2硬件設(shè)計
網(wǎng)關(guān)硬件平臺主要包括主控制器最小系統(tǒng)模塊、電力線載波模塊、多頻段微功率無線模塊、以太網(wǎng)模塊、電源模塊等組成，其硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。
2.1 主控制器最小系統(tǒng)模塊
本設(shè)計的主控采用32位高速互聯(lián)網(wǎng)型微控制器芯片STM32F107VCT6,主頻最高可達72 MHz,自帶256 kB FLASH、64 kB SRAM、5路串口、2路SPI。其多路通信接U和自身集成以太網(wǎng)MAC層控制器的優(yōu)點符合本設(shè)計的要求。
2.2 電力線載波模塊
電力線載波模塊作為網(wǎng)關(guān)上PLC網(wǎng)絡(luò)的邊界路由器，負責載波終端節(jié)點的組網(wǎng)和數(shù)據(jù)交互。通過串口直接和主控相連。采用SSC1650作為電力線載波模塊。采用OFDM調(diào)制解凋技術(shù)．典型通信頻段為303.13～357.81 kHz。該芯片的使用減小了載波模塊的體積，并提高了通信穩(wěn)定性。
2.3 多頻段微功率無線模塊
多頻段微功率無線模塊為網(wǎng)關(guān)上各個頻段微功率通信網(wǎng)絡(luò)的邊界路由器，負責無線終端節(jié)點的組網(wǎng)和數(shù)據(jù)交互。經(jīng)工業(yè)運用廣泛的串口擴展芯片GM8142通過SPI接口和主控通信。
2.4以太網(wǎng)模塊
以太網(wǎng)模塊采用10 MHz/100 MHz自適應(yīng)的物理層網(wǎng)絡(luò)控制芯片DM9161AEP,通過“簡化媒體獨立接口(reduced media independent interface，RMII)”和主控的MAC層直接相連。RMII的1個端口只要求7根數(shù)據(jù)線，所有數(shù)據(jù)端口共用1個時鐘進行所有端口的數(shù)據(jù)收發(fā)，參考時鐘為50 MHz。網(wǎng)口采用白帶隔離變壓器的HR911105A。
2.5電源模塊
電源方案是設(shè)計中的一大特色，解決了PLC對電源要求極高和對電力線噪聲非常敏感的問題。電源模塊包括底板電源和PLC電源。PLC電源采用ESSPS-B02S12電源模塊。而底板電源采用開關(guān)頻率為60 kHz的LHIO_10D0512-02ER2電源模塊，將220 V交流轉(zhuǎn)換、降壓為12 V直流和SV直流。該模塊在輸出功率達到滿載的12%以E時．開關(guān)頻率可以維持在60 kHz，在12%以下時會在60 kHz附近波動。假如某時刻丁作在63 kHz,其5倍頻以后將達到315 kHz，顯然處于電力線載波典型通信頻段內(nèi)，將會對載波通信產(chǎn)生干擾。因此采用FC-LOID2模塊對底板電源進行了EMC處理，以防底板電源噪聲對PLC產(chǎn)生干擾。
3軟件設(shè)計
網(wǎng)關(guān)的軟件要對多個通信模塊進行調(diào)度管理．需使用操作系統(tǒng)進行多任務(wù)管理，本文沒計選用實時性和可靠性高、專為嵌入式應(yīng)用設(shè)計的μC/OS -Ⅱ嵌入式實時操作系統(tǒng)。網(wǎng)關(guān)分別為PLC、微功率無線通信、以太網(wǎng)通信、GPRS通信模塊創(chuàng)建任務(wù)。通過協(xié)議棧實現(xiàn)各個通信任務(wù)中報文解析、處理及數(shù)據(jù)包的封裝等功能。其中，PLC和微功率無線通信采用輕量級IPv6協(xié)議棧．以太網(wǎng)通信采用經(jīng)自主開發(fā)后能夠?qū)崿F(xiàn)IPv6到IPv4協(xié)議轉(zhuǎn)換的LwIP協(xié)議棧。
3.1 網(wǎng)關(guān)軟件結(jié)構(gòu)
網(wǎng)關(guān)軟件結(jié)構(gòu)如圖3所示。主要包括硬件驅(qū)動層、底層功能函數(shù)和嵌入式操作系統(tǒng)層、應(yīng)用層3個層次。
硬件驅(qū)動層主要包括PLC模塊、無線通信模塊、以太網(wǎng)控制器及串口擴展等驅(qū)動。主要完成對網(wǎng)卡、電力線載波、無線通信、GPRS及串口擴展芯片的配置和初始化。
底層功能函數(shù)層主要有以太網(wǎng)通信、串行通信、存儲等功能函數(shù)，為應(yīng)用層提供相應(yīng)的接U函數(shù)。嵌入式操作系統(tǒng)層主要包括任務(wù)、時問和信號量等管理。
應(yīng)用層主要包括以太網(wǎng)與遠程控制巾心通信、GPRS與遠程控制中心通信、電力線載波與終端節(jié)點通信、微功率無線與終端節(jié)點通信等任務(wù)。各任務(wù)之間通過信號量、消息隊列和事件標志組完成通信。
3.2 PLC及微功率無線的IPv6通信
IPv6主要是為解決網(wǎng)絡(luò)設(shè)備地址空間受限而制定的網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議，比IPv4具有更大的地址空問、更高的數(shù)據(jù)報文處理性能和更好的路由選擇效率等優(yōu)點。IPv6數(shù)據(jù)報文由一個IPv6報頭、多個擴展報頭、上層協(xié)議數(shù)據(jù)單元組成，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。
在實際電網(wǎng)環(huán)境中．PLC終端節(jié)點和無線終端節(jié)點通常分別組成Mesh拓撲結(jié)構(gòu)的通信網(wǎng)絡(luò)，如圖5所示。
Mesh網(wǎng)絡(luò)是一種多跳網(wǎng)絡(luò)，通信子網(wǎng)中所有終端節(jié)點都可作為。中繼節(jié)點。為了使IPv6報文快速、可靠地傳輸，針對該拓撲，采用了“draft-load”草案設(shè)計的LOAD (6LoWPAN Ad Hoc on-demand distance, vector routing)協(xié)議。 LOAD是一種用源節(jié)點到日標節(jié)點累積的路由代價作為路徑抉擇判斷標準的按需路由協(xié)議。其位于6LoWPAN(IPv6 0ver low-power wireless personal area networks)適配層上，因此，IPv6網(wǎng)絡(luò)層能將6LoWPAN作為單跳子網(wǎng)，并使用MAC層的16位短地址或EUI- 64位長地址進行路由的創(chuàng)建。但是．LOAD路由協(xié)議并未確切規(guī)定計算節(jié)點之問鏈路代價的相應(yīng)參數(shù)，本設(shè)計結(jié)合PLC信道和無線通信信道的特征，采用節(jié)點的路由跳數(shù)和信號強度兩者的綜合支持度決定LOAD路由的傳輸路徑，可表示為
依據(jù)式(1)計算通信網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點之間的路徑抉擇“開銷”，并在2個節(jié)點間選擇最佳的通信路徑，從而進行一個完整獨立路由傳輸網(wǎng)絡(luò)的建立，
IPv6報文中的適配層頭部有多種封裝格式。為了實現(xiàn)電網(wǎng)數(shù)據(jù)進行LOAD路由的轉(zhuǎn)發(fā)。設(shè)計網(wǎng)關(guān)中完整的IPv6報文數(shù)據(jù)幀格式，如圖6所示。
MAC層采用HIEEE802.15.4標準，可以實現(xiàn)一跳范圍內(nèi)的路由轉(zhuǎn)發(fā)。Mesh頭的Mesh分派值高4位為1011。源地址和目的地址分別為LOAD路由的源、目的地址，都是基于MAC層的16位短地址。分片頭被用作數(shù)據(jù)的分片和重組。IPv6頭含有源和目的IPv6地址，節(jié)點可根據(jù)分配到的16位短地址，結(jié)合其與IPv6接口標志的映射得到IPv6接口標志，再通過添加子網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)前綴得到節(jié)點的128位IPv6地址。
將IPv6技術(shù)應(yīng)用于智能電網(wǎng)中PLC和微功率無線傳感網(wǎng)通信，關(guān)鍵是要解決IPv6報文在MAC層IEEE802.15.4標準上傳輸?shù)碾y題。為此需設(shè)計符合PLC和微功率無線Mesh拓撲的IPv6通信架構(gòu)，其IPv6通信實現(xiàn)如圖7所示。
在f7中，基于UDP的傳輸層、IPv6協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)層、6LoWPAN的適配層、IEEE802.15.4MAC層以及PLC／無線的物理層共同組成了IPv6協(xié)議棧。
PLC／無線終端節(jié)點將要傳輸?shù)碾娋W(wǎng)數(shù)據(jù)作為應(yīng)用層負載，依次封裝應(yīng)用層頭、UDP頭、IPv6頭、分片頭、Mesh頭、MAC頭，封好的IPv6報文經(jīng)電力線或者無線信道傳輸?shù)街欣^節(jié)點。通過中繼節(jié)點的6LoWPAN適配層進行分片重組和LOAD路由進行尋址，最終轉(zhuǎn)發(fā)到網(wǎng)關(guān)上的PLC／無線邊界路由器。邊界路由器依次解析報文的各個首部，并將解析出的網(wǎng)絡(luò)層IP數(shù)據(jù)報文交給網(wǎng)關(guān)主控中的LwIP協(xié)議棧處理。LwIP協(xié)議棧對邊界路由器轉(zhuǎn)發(fā)的報文進行解析，使用IPv6/IPv4地址映射機制將IPv6報文中的地址轉(zhuǎn)換為IPv4地址，再封裝成IPv4報文發(fā)送給IPv4上位機。
應(yīng)用層面向?qū)嶋H的需求，設(shè)計時需遵照智能電網(wǎng)中相應(yīng)標準和規(guī)定。如在用電信息采集系統(tǒng)進行抄表時應(yīng)該采用DL/T 645-2007規(guī)約和376.2協(xié)議。
傳輸層采用UDP協(xié)議，該協(xié)議無連接、占用資源較少，能建立和銷毀UDP連接，封裝和解析UDP報文。
網(wǎng)絡(luò)層主要使用IPv6協(xié)議、ICMPv6協(xié)議、鄰居發(fā)現(xiàn)協(xié)議和無狀態(tài)地址自動配置機制。能夠完成IPv6協(xié)議擴展頭、地址解析、重復(fù)地址檢測、路由器發(fā)現(xiàn)、網(wǎng)絡(luò)前綴發(fā)現(xiàn)以及IPv6報文的封裝與解析功能。
3.3上行通信過程
上行通信為智能電網(wǎng)中終端節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)由網(wǎng)關(guān)上傳至遠程控制中心的過程。其通信流程如圖8所示。網(wǎng)關(guān)上邊界路由器運行輕量級IPv6協(xié)議棧創(chuàng)建IPv6子網(wǎng)，并向入網(wǎng)的終端節(jié)點分配IPv6地址。節(jié)點向網(wǎng)關(guān)發(fā)送數(shù)據(jù)，網(wǎng)關(guān)調(diào)用串行通信接收函數(shù)，接收邊界路由器從節(jié)點獲取到的數(shù)據(jù)報文，待數(shù)據(jù)接收完成，把數(shù)據(jù)存儲在建好的信號量中。與此同時，主控調(diào)用電力線載波／無線與終端節(jié)點通信任務(wù)，此任務(wù)始終處于循環(huán)等待狀態(tài)，直到新的信號量發(fā)生，再從信號量中取出數(shù)據(jù)并判斷其是否需要保存。若需保存．則調(diào)用存儲功能函數(shù)對數(shù)據(jù)進行存儲，再調(diào)用以太網(wǎng)與控制中心通信任務(wù)，通過在LwIP協(xié)議棧中建立UDP套接字經(jīng)網(wǎng)口傳送到遠程控制中心：或者調(diào)用GPRS與控制中心通信任務(wù)，經(jīng)GPRS將其傳送到遠程。若不需要保存，則直接發(fā)送至遠程。
3.4下行通信過程
下行通信為遠程控制中心發(fā)送指令經(jīng)網(wǎng)關(guān)下發(fā)給各終端節(jié)點的過程。其通信流程如圖9所示。若網(wǎng)關(guān)從GPRS通信接口收到數(shù)據(jù)，則調(diào)用GPRS與控制中心通信任務(wù)接收下行報文并完成解析；若從網(wǎng)口接收到數(shù)據(jù)，則調(diào)用以太網(wǎng)與控制中心通信任務(wù)接收下行報文并發(fā)送到LwIP協(xié)議棧進行解析。若是網(wǎng)關(guān)配置指令，則直接對網(wǎng)關(guān)進行動態(tài)參數(shù)配置：若是需要轉(zhuǎn)發(fā)給終端的指令．則判斷報文中的地址是屬于PLC子網(wǎng)還是微功率無線通信子網(wǎng)，再調(diào)用電力線載波／無線與終端節(jié)點通信任務(wù)通過電力線載波模塊或微功率無線模塊中的IPv6協(xié)議棧封裝成IPv6數(shù)據(jù)包發(fā)往終端節(jié)點。
4測試
為了驗證所設(shè)計網(wǎng)關(guān)能夠支持多種本地通信的IPv6接入功能，將電力線載波IPv6和多頻段微功率無線IPv6通信網(wǎng)絡(luò)進行組網(wǎng)測試。
僅以電力線載波IPv6通信為例，多頻段微功率無線通信不再贅述。載波終端節(jié)點成功加入網(wǎng)關(guān)建立的網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)關(guān)為中繼節(jié)點分配MAC層16位短地址，中繼節(jié)點為普通節(jié)點分配短地址。通信過程中，載波普通節(jié)點將IPv6數(shù)據(jù)發(fā)送給中繼節(jié)點．再經(jīng)中繼節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)給網(wǎng)關(guān)。電力線載波IPv6通信數(shù)據(jù)如圖10所示，從通信交互的數(shù)據(jù)可知，網(wǎng)關(guān)短地址為0x000 0，IPv6地址為FE80::1147:00FF:FE00:0000其為中繼節(jié)點分配的短地址為0x000 1．中繼節(jié)點為載波普通節(jié)點分配的短地址為0x059 A, IPv6地址為FE80::1147:00FF:FE00:059A。
測試結(jié)果表明該網(wǎng)關(guān)能夠支持PLC和多頻段微功率無線通信的IPv6接入功能。
5結(jié)語
本文設(shè)計了一款應(yīng)用于智能電網(wǎng)的IPv6多接入通信網(wǎng)關(guān)．詳細介紹了硬件和軟件設(shè)計方案，并進行了測試。結(jié)果表明，網(wǎng)關(guān)能夠支持PLC和微功率無線的IPv6通信，有效地解決智能電網(wǎng)中本地通信接入方式受限和數(shù)量巨大的終端設(shè)備IP化的問題。網(wǎng)關(guān)還可以根據(jù)智能電網(wǎng)不同的應(yīng)用場景，對應(yīng)用層規(guī)約進行相應(yīng)的切換以完成不同的通信任務(wù)。本設(shè)計在智能電網(wǎng)中的通信領(lǐng)域具有一定的借鑒價值。
